基于可更换耗能连接的装配式混凝土梁柱节点力学性能试验研究

谢鲁齐 吴 京 章锦洋 刘晨昱

(东南大学混凝土及预应力混凝土教育部重点实验室, 南京 211189)

装配式混凝土框架在建筑工业化蓬勃发展的趋势下得到了广泛的开发和应用[1].从力学模型和施工方法角度,可以将其分为等同现浇和非等同现浇两大类[2].对于等同现浇而言,在施工过程中,预制构件会在其端部或中部留置部分外露钢筋,造成模板支设过程复杂,重复利用率不高;构件存放及运输过程中,其外露钢筋易出现磕碰、锈蚀的情形,导致后续施工不便;吊装后,连接区域的构造钢筋过多,使得混凝土浇捣不实;关键区域后浇混凝土导致结构装配式节省时间成本、对环境影响小等优势发挥不充分;此外,还存在强震作用下损伤分散、梁铰机制形成不充分等缺点[3],一旦发生地震损伤,其修复不易实行.相比之下,干式连接的非等同现浇装配式结构则可通过构造实现更强的适应性和震后修复性能.非等同现浇结构在设计上不强求构件连接区域的力学性能与现浇框架等同,避免了等同现浇框架在施工上的诸多问题,可以有效实现构件工业化生产、现场快速施工与损伤机制可控等目标[4].干式连接的非等同现浇装配式混凝土框架节点在基本力学特性和抗震性能方面都存在着不同于现浇结构的特点,需要进行深入分析.

框架梁柱干连接施工可通过焊接或螺栓连接将构件连接成一个整体,而不需要在关键受力位置填充后浇混凝土[2].由于梁柱连接部位的整体性降低,形成了典型的半刚性节点,其梁端传递负弯矩的能力也降低[5].在干连接构造方面,暗牛腿构造[6]较为复杂且拉压状态受力不对称,张拉预应力筋的方法[7]存在预应力损失,导致设计过程较为复杂,且对阻尼器的耗能能力存在不利影响.

针对结构损伤位置弥散的问题,文献[8]建议在梁柱连接区域设置延性耗能装置,以诱导结构损伤集中,使结构具备优异的耗能减震能力和便捷的震后易修复特性[8].Amaris等[9]和蔡小宁等[10]分别采用附加拉压屈服耗能连接和顶底耗能角钢的方法,在一定程度上延缓了结构主体的损伤.Nakiki等[11]和李向民等[12]提出了一种带延性连接器的预制混凝土梁柱节点构造.延性连接的引入优化了结构的抗震性能,但由于这些耗能部件布置在柱节点域中,震后修复不易实现.

屈曲约束支撑作为一种金属屈服耗能装置[13],在强震作用下可形成稳定的滞回性能以耗散地震能量.Takeuchi等[14]、Blebo等[15]通过试验分析发现,将类似构造的轴向拉压耗能杆件应用于梁端或柱端,同样也可以达到良好的耗能效果.

本文提出了一种含有可更换耗能连接的装配式混凝土框架(REDC-PCF),并对其梁柱节点的力学性能展开试验研究.该结构将梁端上下边缘的纵向钢筋替换为一种可更换耗能连接组件(REDC),提高了结构的现场施工效率和抗震性能.

1 REDC-PCF梁柱节点

1.1 节点的构造及力学原理

梁柱节点的设计原则应遵循以下几个方面:① 保证节点的传力路径简洁、明了,节点的构造应与计算假定相符合,节点的受力情况应与设计模型相一致;② 节点连接应具有足够的强度和刚度,保证其在大变形作用下具有良好的延性;③ 构造上简单明确,加工安装流程方便,同时尽可能节省材料;④ 尽可能减少工地拼装的工作量,以保证节点的质量并提高工作效率.

基于以上原则,本文提出的REDC-PCF梁柱节点的基本特征如下:

1) REDC-PCF的拼接部位为梁柱节点处,由销轴体系和REDC分别承担剪力和弯矩,形成完整的荷载传递体系(见图1).设计时,应遵循“强节点弱构件”的原则.为实现梁铰机制,使结构的损伤集中在REDC处,需控制REDC有效屈服轴力低于构件内纵向钢筋的屈服轴力[16],建议对梁端弯矩承载力设计需求进行一定的折减.在进行梁端抗弯刚度需求验算时,需释放梁、板自重引起的梁端弯矩,使梁端塑性铰区域仅承受活荷载及水平作用下产生的弯矩.施工方法为安装REDC前先进行楼板的安装作业,以铰接框架的形式承受梁、板自重,从而达到设计意图.设计过程中应考虑节点初始转动刚度对结构整体侧向刚度的影响,在常规结构设计基础上增加节点初始刚度需求的计算[17].

2) 节点为干连接构造,不需要通过后浇混凝

图1 REDC梁柱节点构造示意图

土强化节点刚度.其抗剪连接通过对销轴体系单独设计,可有效规避梁端削弱及拼接式构造对节点抗剪性能的影响.设计过程中应遵循“强剪弱弯”的原则,销轴体系的设计可根据现行相关规范进行强度和变形设计.

3) REDC为一种金属屈服耗能连接组件,由核心钢板、屈曲约束部件及连接部件组成(见图2).核心钢板由高延性钢材制作,以保证其疲劳性能;屈曲约束部件覆盖在核心钢板四周,限制其受压时的屈曲幅值,保证其在拉、压状态下均可进入全截面屈服状态;屈曲约束部件由约束盖板和填充钢板构成;核心钢板与连接部件(包括连接钢块和锚固钢块)通过坡口对焊的方式牢固连接;连接部件与柱内锚固钢筋、梁内纵向钢筋通过塞焊连接.梁端弯矩表现为两侧REDC所受轴力形成的力偶,REDC可以等同于一种轴向受力构件.

图2 REDC构造示意图

4) 销轴连接体系作为结构的抗剪构造,为REDC屈服后的梁柱连接提供二道防线,由柱内外伸钢板、销轴及其耳板通过焊接作业形成(见图3).为保证剪力传递的可靠性,避免钢棒与混凝土发生直接接触,可在销轴孔洞内预埋钢管,并将钢棒直径与钢管内径的差值减小至不超过1 mm,且接触面光滑,防止附加内力产生影响.

图3 销轴体系安装示意图

5) 销轴的设置使梁截面的中性轴固定于中间位置,不会因混凝土开裂等因素而出现偏移.如果采用等同现浇楼板则会引起梁的上部截面刚度增大,两侧REDC变形不对称,还会使销轴产生附加水平作用.因此,建议设计时将预制楼板搁置在梁侧的挑耳上,以削弱楼板的平面内刚度对结构变形的影响.

1.2 施工方法

REDC-PCF梁柱节点的施工步骤如下:

① 在柱的预制过程中,于柱内锚固钢块内设置一排与锚固钢筋截面形心高度相同的螺纹孔;同时在柱内锚固钢筋端部刻出一定长度的螺纹段,将其与孔内螺纹旋合形成整体,反面塞焊,一体预埋入柱中.在梁的预制过程中,于梁端一定长度范围内预留企口,用于安装REDC耗能部件,企口的深度应不少于耗能部件与约束部件组合后的总厚度;在企口端部设置梁筋连接部件,其与钢筋连接一侧设置螺纹孔,并在梁内纵筋端部刻出螺纹,将螺纹与孔内螺纹旋合形成整体,反面塞焊,一体预埋入梁中.待梁、柱浇筑养护完成后现场安装,并通过销轴连接作业形成整体.

② 组装REDC,并置于梁端企口内(见图1).REDC核心钢板的截面形心应与梁内纵向钢筋及柱内锚固钢筋的形心在同一高度处,以保证荷载传递直接,不会对梁侧的连接部件造成偏心,施工中需保证焊接质量并形成完整的弯矩传递机制.

③ 焊接完成后,可选择将梁端企口区域用后浇混凝土填实,形成完整美观的梁柱连接体系.

④ 结构经历大震后,凿除损伤部位的后浇混凝土,切割损伤严重或发生断裂的REDC核心钢板并更换,重复步骤②和③,完成震后修复.

2 试验设计

2.1 试件及试验装置

试件及试验加载装置如图4所示.相较于传统的钢筋混凝土结构,REDC的设置并未改变梁柱节点的荷载传递路径,即节点核心区的变形特性和受力特点并未改变.因此,试验采用边节点试件和“柱子平卧、梁头向上”的安装模式,反映了梁柱相对转动过程中的梁端内力分布情况.柱上轴力的影响主要表现为一定范围内延缓节点核心区剪切裂缝的出现,对梁端REDC的变形几乎没有影响.本文忽略了对轴力及节点核心区变形的考察,重点分析REDC的变形性能.

采用地锚杆、螺旋千斤顶和侧向支撑刚架等对试件的刚体位移予以限制,保证仅构件梁端沿作动器方向发生变形.加载系统为反力墙-MTS作动器体系.将MTS作动器端部与梁端通过自制转换头固定连接,并通过作动缸的水平伸缩对梁端施加水平荷载或水平位移,通过位移计DT1测量梁端位移,该位移计的支架固定在柱身上,从而排除柱端部翘动或水平滑移对位移测量精确度的影响.位移计DT2～DT5用于量测REDC耗能部件上端竖向与水平方向的变形.同时,设置位移计DT6～DT10以监控销轴与梁的相对位移及柱自身的翘动和滑移.为监测梁端部1.0倍梁高范围内纵筋及箍筋应变的发展趋势,在节点核心区内的锚固钢筋、纵向钢筋及箍筋上设置应变片.

(a) 原理示意图

(b) 试验现场布置图

2.2 试件的几何尺寸及材料性能

图5 节点构造示意图(单位:mm)

在REDC核心钢板的设计方面,首先需考虑REDC的长度选取.对于框架结构而言,梁端理想塑性铰长度通常为梁高的0.5～1.0倍[18],由此确定REDC的理想长度为300～600 mm.其次,应在规范允许的最大层间位移角范围内保证REDC的延性,根据目前规范和研究成果[19-21],当梁柱相对转角为2%时,应保证核心钢板的耗能段轴向应变不超过3%.综合考虑模数化需求,确定核心钢板总长为350 mm,其中连接段长50 mm,过渡段长25 mm,屈服段长200 mm.核心部件耗能段最小截面面积按照梁端抗弯刚度需求进行配置,并在连接段进行放大,保证焊缝牢固连接的同时使连接部位在大位移幅值下保持弹性.结合结构设计配筋需求(所需钢筋截面面积不低于1 520 mm2),设定其耗能段截面宽度和厚度分别为110和16 mm,连接段截面宽度和厚度分别为210和16 mm.考虑到过渡段的长度不宜过长,将耗能段设计为2段并列的构造模式,并以45°转角构造过渡段(见图6(a)).

REDC约束部件的作用是对核心钢板的受压屈曲幅度提供约束,保证其轴向变形不受影响,同时避免过渡段出现局部屈曲.因此,约束部件应覆盖全部屈服段和过渡段以及一定范围的连接段.约束部件的厚度应根据其平面外刚度需求计算得到.综合以上因素,连接段长度设定为270 mm,宽度为250 mm,厚度为18 mm.为保证核心耗能部件可以单独受力,在平面外和平面内的核心钢板与约束部件之间预留1 mm的横向间隙;为满足REDC轴向变形的需要,在纵向方向预留6 mm的间隙(见图6(b)和(c)).核心钢板及其约束部件采用延性良好的Q235B钢材制作.

(a) 核心部件

(b) 约束板

(c) 填充板

本文采用的混凝土立方体抗压强度实测值为55.02 MPa,纵向受力钢筋(HRB400)的屈服强度实测值为417.21 MPa;箍筋的屈服强度实测值为476.12 MPa;用于制作销轴的Q345钢棒的屈服强度实测值为436.05 MPa;制作REDC耗能钢板的Q235钢板的屈服强度为268.32 MPa,弹性模量为195 GPa,屈强比为58.58%,延伸率为39.53%.所用材料均符合现行规范要求以及设计构造和耗能部件的疲劳性能要求.

2.3 加载制度

加载过程采用逐级增加梁柱相对转角的方式进行(见图7).位移幅值通过梁柱相对转角控制量转换得到.梁柱相对转角θ取为梁端加载点位移与梁端加载点至销轴形心距离d的比值.本文中,d取为1 500 mm.将各循环中梁柱相对转角设定为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%.其中,梁柱相对转角为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%时各加载3圈,梁柱相对转角为2.5%和3.0%时各加载2圈,其他转角下各加载1圈,由此对应的梁端位移Δ分别为7.5、15、22.5、30、37.5、45、52.5、60、67.5、75 mm.

图7 加载制度

3 试验结果及分析

3.1 失效模式

节点的拟静力试验包括初始试验和修复试验2种.在初始试验中,梁两侧的REDC绕销轴反复拉压循环,当梁柱相对转角θ为1.0%～2.0%时,梁内出现少许弯曲裂缝;当θ达到2.5%以后,构件裂缝基本不再扩展,已经产生的裂缝在反复荷载作用下反复张开闭合;θ超过5.0%后,受拉一侧的钢板在梁端位移达到峰值时发生断裂,承载力出现陡降,试验终止.卸载后所有裂缝均闭合;拆解约束部件后观察到核心钢板的断裂位置位于屈服段中部,且表现出断裂位置颈缩的疲劳破坏特征.然后,更换两侧的核心钢板,开展修复试验,试验的整体现象与初始试验类似.θ为5.0%的循环受拉过程中,承载力陡降,此后卸载刚度明显降低,该循环结束后终止试验.经拆解构件发现,断裂位置与初始试验类似,且梁上裂缝实现了自我闭合.整个加载过程中,节点核心区内无明显裂缝出现,混凝土整体工作性能良好.核心钢板断裂及混凝土裂缝开展情况见图8.

(a) 初始试验的断裂核心钢板

(b) 修复试验的断裂核心钢板

(c) 混凝土损伤情形

3.2 滞回曲线

由图9可知,初始试验和修复试验所得的滞回曲线均比较饱满.在传统的等同现浇结构中,梁柱节点的承载能力会随混凝土开裂而逐步下降,滞回环也随之捏缩.而在REDC-PCF中,由于梁整体保

图9 梁端荷载-位移滞回曲线

持弹性且销轴可以确保中性轴位置不变,节点的滞回曲线不会发生捏缩.此外,REDC的屈曲约束机制可以保证核心耗能部件在拉压循环作用下均能发生全截面屈服.对比初始试验和修复试验可以看出,初始刚度及最大塑性变形相近,修复工作可以实现试件力学性能和耗能能力的有效恢复,其震后修复的可行性得到了验证.

以初始试验为例,提取REDC耗能部件的轴力-位移曲线及梁内钢筋的应变-荷载滞回曲线(见图10和图11).由图可知,试验过程中,梁内钢筋的最大应变不超过3×10-4,远低于钢筋屈服应变,结合梁上裂缝均可在卸载后闭合的现象,可以判定梁在加载全过程中保持弹性.REDC耗能部件的滞回曲线饱满,耗能能力良好.

图10 REDC的轴力-轴向位移曲线

图11 钢筋应变-荷载曲线

3.3 骨架曲线

连接弯矩-转角关系曲线中各级梁柱相对转角的第1循环峰值点,形成试件的骨架曲线(见图12).由图可知,骨架曲线可简化为双折线模型.节点试件在受推和受拉2个方向所表现出的性能相近,骨架曲线对称.加载过程中无负刚度出现,与现浇混凝土节点试件存在本质区别,继而验证了该节点损伤集中的特性.

图12 节点骨架曲线

导出各节点试件的屈服荷载、屈服位移及延性性能并列于表1.由表可知,初始试验和修复试验的最大荷载与屈服荷载之比分别为1.67和1.64,荷载在构件屈服后仍呈现较大的增长幅度,这主要是由于耗能部件屈服后强化所致.此外,梁柱连接处的转动能力较强,体现了节点良好的延性与变形能力.初始试验和修复试验的最大位移比(即梁端最大位移与屈服位移之比)分别为6.50与5.65,最大梁柱相对转角比(即最大梁柱相对转角与屈服转角之比)分别为15.60及14.63,表现出良好的延性性能,说明所设计的REDC-PCF梁柱节点可应用于高震区框架结构设计中.

表1 各试件的承载力和变形参数

3.4 应变发展趋势

初始试验和修复试验中REDC核心耗能部件的轴向变形情况见表2.由表可知,节点梁柱相对转角较大时,REDC耗能部件的实际轴向应变与梁柱相对转角之间差别较大,但仍在同一幅值所规定的范围内.可以认为,REDC耗能部件的实际应变量与节点梁柱的相对转角在数值上近似相等.

表2 REDC轴向应变 %

4 结论

1) REDC-PCF梁柱节点为干连接构造的框架节点.其传力路径简洁、构造简单明确,可在施工现场快速拼接,显著提高施工效率.

2) REDC是一种金属屈服耗能连接组件,可在弹性状态下承担梁端弯矩,并在大震下进入塑性,实现全截面屈服耗能,具备饱满的滞回特性和高延性能.

3) REDC与梁柱内的抗弯体系通过焊接连接,对构造精度要求合理,且震后修复简单易行.

4) 梁柱边节点力学性能的反复荷载试验结果表明,构件的塑性变形集中于耗能部件内,耗能能力良好;梁柱节点主体保持弹性,实现了损伤集中的设计理念;REDC的破坏形式为延性破坏,符合高性能结构的设计要求;节点具备震后修复的可实施性,可应用于高震区框架结构设计中.